室外PM2.5設計濃度確定方法研究

唐波 高軍

同濟大學機械與能源工程學院

0 引言

近年來我國的霧霾天氣受到了廣泛的關注，建筑室內(nèi)細顆粒物的控制成為室內(nèi)環(huán)境研究的重點問題。研究表明室內(nèi)PM2.5有55%～75%來自于室外[1]，大氣顆粒物進入室內(nèi)的主要途徑為調(diào)新風系統(tǒng)，自然通風，圍護結(jié)構(gòu)縫隙穿透以及人員攜帶等[2]。新風過濾系統(tǒng)在機械新風系統(tǒng)中加入過濾器，可有效解決室外PM2.5通過新風進入室內(nèi)造成污染的問題。室外PM2.5設計濃度為空氣過濾器效率設計計算的重要參數(shù)，很大程度上決定了新風系統(tǒng)在實際運行時室內(nèi)PM2.5的濃度水平[3]。

目前我國對室外PM2.5設計濃度的選擇尚未形成明確統(tǒng)一的方法。現(xiàn)有研究中對室外PM2.5設計濃度的確定方法有：室內(nèi)不保證率[4]、不保證天數(shù)[2，5，6]、不保證小時數(shù)[4]、室外不保證率[3，7，8]等。中國建筑科學研究院提出的室內(nèi)“不保證率”為室內(nèi)PM2.5濃度滿足設計要求的總天數(shù)占一個日歷年總天數(shù)的百分比。而室內(nèi)PM2.5濃度水平不僅僅與室外大氣中的PM2.5濃度有關，還與室內(nèi)顆粒物散發(fā)源強度，建筑類型和使用功能等等有關。根據(jù)室內(nèi)PM2.5的濃度值的“保證率”不能直接計算出室外PM2.5設計濃度。我國對大氣污染物（包括 SO2、NOx、PM10、PM2.5 等）濃度的監(jiān)測工作從2013年開始[9]，積累和可供分析的數(shù)據(jù)較少，按照不保證小時數(shù)法確定室外PM2.5濃度需要大量的歷年PM2.5逐時數(shù)據(jù)，同時我國對PM2.5濃度的限值標準為日平均值，因此國內(nèi)并未采用不保證小時數(shù)作為室外的確定方法。

室外不保證率和不保證天數(shù)這兩種確定方法都是計算室外PM2.5日平均濃度超過室外PM2.5設計濃度的天數(shù)[3，10]。目前對于室外PM2.5設計濃度的確定中更傾向于采用不保證天數(shù)法，但是不同的文獻中采用不保證天數(shù)法計算的方式有一定的差異，同時不保證天數(shù)尚未形成統(tǒng)一的意見，從5天到20天的計算值都有。

本文基于全國374個地級市的環(huán)境氣象資料（2013-2016年50個城市室外PM2.5逐時濃度值），結(jié)合新風過濾器過濾效率的設計計算方法，給出不保證天數(shù)的合理取值和最優(yōu)的確定方法。為工程界制定室外PM2.5設計濃度相關的規(guī)范和標準時提供參考，為全國各主要城市新風過濾器的設計選型提供參考。

1 方法

1.1 室外PM2.5設計濃度的確定方法

目前我國對室外PM2.5設計濃度確定方法的研究更傾向于采用不保證天數(shù)法，但是對于全國氣象數(shù)據(jù)量較少的情況，目前采用不保證天數(shù)法進行計算出現(xiàn)了多種計算方法。本文通過對已有的計算方法進行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了不保證天數(shù)法可以分為以下三種計算方式：

1）歷年不保證天數(shù)法

式中：Cj,i表示第j年不保證天數(shù)為i天的室外PM2.5設計濃度值；C1,C2,……C365為某一個日歷年中室外PM2.5日平均濃度，假設一個日歷年的天數(shù)為365天，將365天的室外PM2.5日平均濃度按照降序依次排列，取第i+1個值表示為不保證天數(shù)為i天的室外PM2.5設計濃度；j為年份，若已有4年（2013-2016年）的氣象數(shù)據(jù)，則每一年均會產(chǎn)生1組不保證天數(shù)為i天的室外PM2.5設計濃度，因此本文j=2013,2014,2015,2016。

2）歷年不保證天數(shù)的平均值

3）歷年平均不保證值

式中：Ci表示n年中歷年平均不保證i天室外PM2.5設計濃度值，將n年的室外PM2.5日平均濃度按照降序排列，取第i*n+1個值作為平均不保證i天的室外PM2.5設計濃度值，對于n年，總共的不保證天數(shù)為i*n天。

通過以上三種計算方法確定的設計濃度一共有n+2個，其中n為獲得氣象數(shù)據(jù)的年數(shù)，本次研究n=4。以北京市為例，PM2.5室外設計濃度按照不同方法的計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 北京市PM2.5室外設計濃度

1.2 新風過濾器選型

建筑室內(nèi)PM2.5濃度的來源主要來自于空調(diào)通風系統(tǒng)，圍護結(jié)構(gòu)縫隙的穿透，室內(nèi)污染源以及人體的帶入。由于室內(nèi)污染源散發(fā)濃度較難確定，同時室外空氣中的PM2.5通過圍護結(jié)構(gòu)的門窗縫隙穿透進入室內(nèi)，受不同地區(qū)，不同建筑類型以及建筑使用情況等影響，通過圍護結(jié)構(gòu)縫隙的穿透較難確定。因此，新風過濾器的選型不考慮室內(nèi)顆粒物散發(fā)源，圍護結(jié)構(gòu)縫隙穿透以及人員的帶入量等，僅考慮室外PM2.5通過新風進行進入室內(nèi)的情況。新風過濾器對新風中PM2.5的過濾效率按照式（4）進行計算：

式中：η為新風過濾器的計算過濾效率；Ci為室內(nèi)PM2.5 設計濃度值，根據(jù)文獻和規(guī)范[5，11]取 35 μg/m3；Co為PM2.5室外設計濃度值，μg/m3。

根據(jù)上述不同的計算方法計算得到的PM2.5室外設計濃度后，再按照新風過濾器的過濾效率公式計算對應的過濾效率，可得各種確定方法下新風過濾器的過濾效率，北京市新風過濾效率計算結(jié)果則如圖2所示。

圖2 北京市新風過濾效率計算結(jié)果

1.3 不保證天數(shù)的范圍

在實際的新風系統(tǒng)設計中，過濾效率應根據(jù)空氣過濾器的過濾效率確定?？諝膺^濾器的過濾效率可通過過濾等級劃分。本文參考文獻對不同過濾等級過濾器實測的計重效率，如表1所示。所選用的過濾器計重效率不能低于計算所需要的過濾效率，圖3為北京市新風過濾器的選型結(jié)果。

表1 空氣過濾器的PM2.5過濾效率

圖3 北京市新風過濾器選型

過濾器的過濾等級不同，過濾效率不同，同時過濾器的初阻力，單位面積容塵量和容塵阻力特性均不同，風機運行能耗和過濾器的使用壽命也不同。因此，選取合理過濾等級的過濾器對新風系統(tǒng)的設計是十分必要的。本文通過計算各過濾等級下的過濾器在全年逐時數(shù)據(jù)下（即8760小時逐時PM2.5濃度值）過濾后新風送風的PM2.5濃度值不滿足室內(nèi)PM2.5設計濃度要求的小時數(shù)，如式（5）所示，以判斷過濾器是否能滿足設計要求，從而確定合理的過濾等級。其中，Ci為新風送風PM2.5濃度，C0為室內(nèi)PM2.5設計濃度。

以北京市為例，北京市不保證50天內(nèi)過濾器等級為3級（H11、H10、F9），將對應的過濾效率代入北京市逐時室內(nèi)PM2.5濃度進行計算，得出的不滿足小時數(shù)分別為37 h、0 h、0 h，因此在過濾效果上，采用H10和H11的新風過濾器均可完全滿足要求。考慮到采用高等級的過濾器會增加新風系統(tǒng)運行的能耗和費用，因此北京市使用過濾等級為H10的過濾器比較合適。

在確定了合理的過濾等級之后（如北京市H10），不同確定方法的不保證天數(shù)范圍也可以確定。將這個不保證天數(shù)范圍假設為[ds,de]，ds表示最小的不保證天數(shù)，最小值為0，定義為起點；de表示最大的不保證天數(shù)，定義為終點。根據(jù)以上計算規(guī)則，可計算出全國各城市在合理的過濾等級上不保證天數(shù)的范圍[ds,de]。合理的不保證天數(shù)范圍最好能夠同時滿足各城市以及各種確定方法，因此可以表示為[ds,max,de,min]，ds,max表示所有城市在不同確定方法下得到的起點ds,最大值，de,min表示所有城市在不同確定方法下得到的終點de的最小值。

1.4 各種確定方法之間的比較

城市逐年的污染情況不同，則各確定方法得出的不保證天數(shù)的范圍有一定的差異。

在相同的過濾等級下，起點ds和終點de越小，則說明該確定方法計算的污染物濃度水平越低。當起點ds越小，則說明采用該方法確定的最高的室外PM2.5濃度越低。過濾器等級越級表示通過計算得到的過濾器等級比合理的過濾器等級大。在給定的不保證天數(shù)下，采用該方法確定的室外PM2.5濃度值偏低，經(jīng)過計算得出過濾器等級越級的可能性小。當終點de越小，表明可能更容易進入下一個過濾等級，使用低等級的過濾器會導致室內(nèi)污染物濃度水平不滿足要求。對于不同的確定方法，其起點ds越小越好，終點de越大越好。

2 結(jié)果

2.1 新風過濾器等級

本文結(jié)合全國72個城市（京津冀，長三角，珠三角等重點區(qū)域以及直轄市和省會城市）2013年-2016年的室外PM2.5逐時濃度值，計算出不同城市合理的過濾器等級和不保天數(shù)的范圍。72個城市合理的過濾器等級如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)過濾等級主要集中在F9，H10和H11三個等級。

圖4 全國72城市過濾器等級

其中過濾器等級為H11的城市有8個，主要分布在東北三省和河北省。42個城市的過濾等級為H10，主要分布在我國北方地區(qū)，22個城市過濾器等級為F9，主要分布在我國南方地區(qū)。

2.2 合理的確定方法和不保證天數(shù)范圍

在新風送風PM2.5濃度不保證10h的情況下，圖5和圖6分別為不同計算方法下不保證天數(shù)范圍起點和終點的頻數(shù)，其中-1表示在該方法下沒有最合適的過濾等級。對于不保證天數(shù)起點，C2014，i、C2015，i、C2016，i均存在過濾等級缺失的情況；對于終點，僅不存在過濾等級缺失的情況。歷年不保證天數(shù)的平均值和歷年平均不保證值的這兩種計算方法在不保證天數(shù)的范圍上的頻數(shù)非常接近。對于不保證天數(shù)起點，歷年不保證天數(shù)的平均值更集中于不保證天數(shù)為0天，而歷年平均不保證值分布在1～3天的頻數(shù)更多。對于不保證天數(shù)的終點，歷年不保證天數(shù)和歷年平均不保證值在46～50天范圍內(nèi)的頻數(shù)相同。因此，根據(jù)不保證天數(shù)范圍分布情況，采用歷年不保證天數(shù)的平均值計算室外PM2.5設計濃度更準確。

大部分城市不保證天數(shù)范圍的起點為不保證0天，超過 3 天的計算方法主要為 C2013，i和 C2014，i。由于采用歷年不保證天數(shù)的平均值計算更為準確，因此起點可選為3天。

大部分城市不保證天數(shù)范圍的終點分布在46～50天，對于單一某日歷年不保證天數(shù)占比在17%～57%之間，而對于其他兩種計算方法占比為35%。終點越大，則表示進入下一個過濾等級的不保證天數(shù)越大。不保證天數(shù)范圍的終點分布較為發(fā)散，原因是不同城市的污染狀況不同。終點小表示室外PM2.5濃度氣象數(shù)據(jù)中濃度值較高時所占天數(shù)較小，也說明過濾器等級選型較為嚴格。當合理的不保證天數(shù)范圍終點越小，則合理過濾器等級下可保證新風送風不滿足小時數(shù)越小。終點為5天時所有確定方法的不保證天數(shù)為3%～15%為7%，在可接受范圍內(nèi)，因此終點可取5天是可接受的。

圖5 不保證天數(shù)范圍起點ds分布頻數(shù)

圖6 不保證天數(shù)范圍終點de分布頻數(shù)

通過對不同計算方法的不保證天數(shù)范圍進行分析，采用歷年不保證天數(shù)的平均值計算室外PM2.5設計濃度更合理，合理的不保證天數(shù)應該在3～5天。類比采暖室外空氣溫度的計算（不保證天數(shù)5天），則可采用歷年不保證5天的平均值作為室外PM2.5設計濃度的確定方法。

計算方法采用歷年不保證5天的平均值，隨著我國各城市室外PM2.5數(shù)據(jù)逐年增多，只需將每年的日平均濃度取不保證5天值帶入計算即可，無需對新數(shù)據(jù)之前的每年濃度值進行更新，可節(jié)省很大的計算量，有利于工程上的快速計算。

3 結(jié)論

我國主要的城市選用合理的新風過濾器等級在F9～H11之間，過濾效率需求在84.1%～93.5%之間。

本文研究不保證天數(shù)法確定室外PM2.5設計濃度，對比各種計算方法確定的不保證天數(shù)的頻數(shù)，結(jié)果表明歷年不保證天數(shù)的平均值作為PM2.5設計濃度確定方式是最優(yōu)的。通過對全國72城市合理不保證天數(shù)的范圍進行分析，發(fā)現(xiàn)不保證天數(shù)范圍應該在3～5天。因此，本文建議工程計算可選取歷年不保證天數(shù)為5天的平均值作為室外PM2.5設計濃度。